Система тягового электроснабжения электрической тяги постоянного тока напряжением 3 кВ и режимы её работы.

На тяговой подстанции постоянного тока 3 кВ трёхфазный переменный ток поступает от трёхфазной электрической системы напряжением 110(220) кВ преобразуется трансформаторами, выпрямляется с помощью выпрямителей и напряжение постоянного тока 3 кВ подаётся в контактную сеть (рис.1).

При первичном напряжении 110(220) кВ устанавливается промежуточный понижающий трансформатор 110(220)/10 кВ мощностью 10,16,25 МВА.

К трёхфазным шинам 10 кВ подключен преобразовательный агрегат, который состоит из тягового трансформатора и выпрямителя. Выпрямитель обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный напряжением на шинах 3,3 кВ. Контактная сеть подключается к «плюс шине», а рельсы – к «минус шине».

При наличии на тяговой подстанции первичного напряжения 6, 10, 35 кВ происходит преобразование в постоянный ток непосредственно с помощью преобразовательного агрегата (тяговый трансформатор и выпрямитель).

На тяговой подстанции используются трёхфазные 6 – пульсные схемы выпрямления две обратных звезды (нулевая) и мостовые; 12 – пульсные мостовые схемы выпрямления.

 

Рис.1. Принципиальная схема питания электрифицированного участка

железной дороги постоянного тока напряжением 3 кВ

Принципиальный признак системы тягового электроснабжения постоянного тока 3 кВ – электрическая связь тягового двигателя электровоза с контактной сетью (контактная система токосъема). Тяговые двигатели для электровозов постоянного тока предусмотрены на номинальное напряжение 1,5 кВ. Попарное последовательное соединение таких двигателей позволяет иметь в тяговой сети напряжение 3 кВ.

Преимущества системы тягового электроснабжения постоянного тока 3 кВ:

1. Характеристики сериесного тягового двигателя постоянного тока обеспечивает качественное управления электровозом по скорости движения;

2.При напряжении 3 кВ в контактной сети энергия к тяговым двигателям передаётся без изменения уровня напряжения на электровозе. Поэтому электровоз получается простым. Это основное преимущество системы постоянного тока 3 кВ;

3. Тяговая нагрузка постоянного тока для трёхфазной сети внешнего электроснабжения является симметричной нагрузкой и поэтому не влияет на несимметрию тока и напряжения в трёхфазной сети внешнего электроснабжения.

4. Трёхфазные 6, 12–ти пульсные (фазные) выпрямители переменного тока тяговой подстанции обеспечивают значительно лучшее качество электроэнергии по несинусоидальности напряжения в трёхфазной сети внешнего электроснабжения.

Недостатки системы тягового электроснабжения постоянного тока 3 кВ:

1.Низкое напряжения 3 кВ в тяговой сети приводит к значительной величине токопотребления электровозом, создаются большие потери напряжения и низкое напряжение на электровозе;

2.Низкое напряжение ограничивает расстояние между тяговыми подстанциями до 15 км, а на участках с горным профилем до 8-10км. Усложняется проблема тяжеловесного движения поездов.

3.В тяговой сети постоянного тока значительное токопотребление определяет значительное сечение контактной сети, которое достигает 400 – 600 мм² в медном эквиваленте на один путь. Это в 2-3 раза больше чем в системе переменного тока. На горных участках максимальное сечение подвески М120 + 2МФ100 + 3А185 (647 мм²). Это вызывает значительный перерасход дефицитных цветных металлов, возрастание механических нагрузок на опоры контактной сети;

4.Значительные потери активной электроэнергии создаются большими величинами потребляемых токов. Потери электроэнергии DР = I²R составляют 12 – 15%.

5.При питании ТП от 110(220) кВ требуется промежуточная трансформация 110(220)/10 кВ.

6.При электрической тяге постоянного тока имеет место интенсивная электрокоррозия подземных металлических сооружений, в том числе опор контактной сети;

7. Cложная схема регулирования скорости двигателей путём перегруппировки двигателей, включением реостатов, переключениями в цепях возбуждения. Включение пусковых реостатов увеличивает расход электроэнергии. Это особенно заметно на электропоездах пригородного сообщения.

8.Шестипульсовые выпрямители тяговых подстанций имеют низкий коэффициент активной мощности cosφ 0,88 ÷ 0,92 и значительную несинусоидальность кривой сетевого тока. Это ухудшает качество электрической энергии в сети переменного тока 10 кВ. В настоящее время на тяговых подстанциях используются двенадцатипульсовые схемы выпрямления с лучшими энергетическими характеристиками по реактивному электропотреблению и несинусоидальности тока и напряжения.

9.На особо грузонапряжённых участках с горным профилем при организации движения тяжеловесных поездов система тяги постоянного тока 3 кВ ограничивает пропускную и провозную способность участков железной дороги по нагреву проводов контактной сети и напряжению на электровозе. В связи с этим участок постоянного тока Зима – Черемхово – Слюдянка в 1995г заменён на прогрессивный вид тяги переменного тока 25 кВ. В настоящее время в России электрификация железных дорог преимущественно выполняется на переменном токе 25 кВ. Электрификация на постоянном токе ограничивается

Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе постоянного тока с напряжением в тяговой сети 3 кВ, на 1 января 2005 г. составила 18,6 тыс. км.

На дорогах постоянного тока различают централизованную и распределенную схемы питания. Основное различие этих схем заключается в числе выпрямительных агрегатов на подстанциях и методах резервирования мощности. При схеме централизованного питания выпрямительных агрегатов на подстанции должно быть не менее двух. При распределенном питании все подстанции одноагрегатные, а расстояние между тяговыми подстанциями сокращается. Требование обеспечения нормальных размеров движения при выходе из работы одного преобразовательного агрегата обеспечивается:

· в первой схеме для резервирования используются дополнительные (резервные) агрегаты;

· во второй схеме переход к резервированию подстанций обеспечивается за счёт одноагрегатных подстанций с малой величиной расстояния между ними.

2. Характеристика электрической тяги переменного тока 25 кВ как потребителя электрической энергии.

2.1.Схема электроснабжения электрической тяги.

Электрическая тяга переменного тока питается от трёхфазной сети внешнего электроснабжения 110(220) кВ через трёхфазный трёхобмоточный тяговый трансформатор 110(220) / 27,5 / 10(35) кВ со схемой соединения обмоток звезда / треугольник / треугольник (10 кВ) или звезда (35)кВ.

Схема питания тяговой сети по I типу подключения к сети внешнего электроснабжения

 

 

А(ж) *

В(з) 1

С(к) *

А_Т В_Т С_Т

I_A I_B I_C

треугольник 10 кВ или звезда 35 кВ

2

2

а b с

I_II I_I

U_A, Uас_, U_II U_C, Uсв_, U_I

5 3

U_II 6 I_II I_O I_I U_I I_II I_I I_I

Рис. 1 Схема питания электрической тяги по системе электроснабжения 1х25 кВ.

Обозначения: 1 – ЛЭП 110(220) кВ; 2 - тяговый трансформатор (ТТ); 3 - контактная сеть; 4 - тяговый рельс; 5- секционирующее устройство (нейтральная вставка); 6 – электровоз; А (ж), В (з), С (к) - обозначения фаз ЛЭП и их окраска; А_Т, В_Т, С_Т - обозначение фаз трансформатора; I_{I -} ток правого плеча питания КС (опережающая фаза); I_II - ток левого плеча питания КС (отстающая фаза); I_O - ток отсоса; I_A, I_B, I_C - токи обмоток (фаз) 110(220) кВ трансформатора

Тяговый потребитель питается от обмотки 27,5 кВ двумя фазами «a» и «b» по контактной сети, фаза «c» соединяется с рельсом. Раздел фаз обеспечивается обмотки секционирующим устройством (нейтральной вставкой). От тяговой трансформатора от тяговых шин 27,5 кВ питаются тяговый потребитель электровоз и нетяговые железнодорожные потребители по специальным системам электроснабжения ДПР 25 кВ (два провода и рельс) и ПР 25 кВ (провод и рельс), от третьей обмотки 10(35 кВ) питаются районные нетранспортные потребители.

Поэтому потребители сети внешнего электроснабжения 110(220) кВ, нетяговых железнодорожных потребителей и районных не транспортных потребителей электромагнитно связаны с тяговой нагрузкой, которая влияет на режим их работы.